基于V2X應(yīng)用場(chǎng)景的專(zhuān)用短程通信性能道路測(cè)試研究

張釗 張嵩 羅悅齊 陳惠珍 王震 汪元景

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 201804）

主題詞：V2X應(yīng)用場(chǎng)景 DSRC 通信性能 道路測(cè)試 遮蔽效應(yīng)模型

1 前言

V2X（Vehicle-to-Everything）技術(shù)是當(dāng)前車(chē)輛交通領(lǐng)域極具潛力的發(fā)展方向，其在安全、交通效率、駕駛者便利性等各方面都帶來(lái)了顯著的提升[1-5]。V2X以車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)和車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車(chē)與車(chē)（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車(chē)與路（Vehicle-to-Rode，V2R）、車(chē)與行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）之間進(jìn)行通信。

目前，應(yīng)用最廣泛的V2X通信標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE 802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載專(zhuān)用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)。DSRC是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單向或雙向短程到中程無(wú)線通信通道及相應(yīng)的一組協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。它能以非常高的速率傳輸數(shù)據(jù)，這對(duì)在基于通信的主動(dòng)安全應(yīng)用中防止事故發(fā)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。DSRC主要有車(chē)與車(chē)（V2V）和車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）兩種類(lèi)型，兩者都要求低延時(shí)和極端天氣條件下保

證無(wú)線接口的穩(wěn)定性。因此，DSRC的通信性能是保障V2X安全應(yīng)用功能可靠性的關(guān)鍵基礎(chǔ)。DSRC的主要通信性能參數(shù)包括時(shí)延和丟包率：由于網(wǎng)絡(luò)普遍采用分層設(shè)計(jì)，且上層需要調(diào)用下層，每層承擔(dān)不同的功能，因此每一層的時(shí)延有所不同；丟包率與數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、通信環(huán)境、距離、車(chē)速等諸多因素都有關(guān)系。在V2X的安全應(yīng)用功能中，對(duì)時(shí)延的要求存在于運(yùn)算、通信、報(bào)警等多個(gè)階段。另一方面，考慮到V2X報(bào)警的高效性，安全報(bào)警既應(yīng)保證覆蓋所有危險(xiǎn)工況，又應(yīng)減少誤報(bào)警和多余報(bào)警信息對(duì)駕駛員的干擾。由此可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，留給報(bào)警信息產(chǎn)生和傳遞的時(shí)間窗口很窄，因此，這也進(jìn)一步要求DSRC數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延需控制在較小范圍內(nèi)，或者要求可以精確控制其時(shí)延。在現(xiàn)有的研究中，已有一些針對(duì)DSRC的通信性能的測(cè)試[6-16]，這些研究主要集中在理論分析[17]、模型仿真[18-20]、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)測(cè)試[1,21-22]等方面，而缺少基于V2X實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的道路測(cè)試研究。因此，本文篩選了V2X應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)DSRC通信性能可能造成影響的關(guān)鍵因素，并在專(zhuān)用的“智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)評(píng)基地”測(cè)試場(chǎng)中實(shí)車(chē)測(cè)試研究了這些關(guān)鍵因素對(duì)DSRC通信性能的影響。

2 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

2.1 主機(jī)時(shí)間同步

如圖1所示是測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)軟、硬件架構(gòu)，本系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多臺(tái)測(cè)試主機(jī)間的時(shí)間同步，以保證多臺(tái)主機(jī)間通信時(shí)延測(cè)試的可靠性。本研究采用的時(shí)間同步工作方式是“客戶(hù)端/服務(wù)器”模式，客戶(hù)端周期性地向服務(wù)器發(fā)送NTP同步請(qǐng)求報(bào)文，服務(wù)器返回響應(yīng)，通過(guò)兩邊報(bào)文的發(fā)送和接收，可以獲取到4個(gè)時(shí)間戳，即客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送報(bào)文的時(shí)間T1、服務(wù)器收到客戶(hù)端發(fā)送的報(bào)文的時(shí)間T2、服務(wù)器返回響應(yīng)報(bào)文的時(shí)間T3以及客戶(hù)端收到響應(yīng)報(bào)文的時(shí)間T4。根據(jù)4個(gè)時(shí)間戳便可計(jì)算出服務(wù)器與客戶(hù)端之間的時(shí)鐘偏差θ和NTP報(bào)文的往返路徑時(shí)延γ：

式中，α、β分別為報(bào)文從客戶(hù)端到服務(wù)器和從服務(wù)器到客戶(hù)端的時(shí)延。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)軟、硬件架構(gòu)

NTP的同步精度主要受到操作系統(tǒng)協(xié)議棧引入的時(shí)延抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)延誤差和時(shí)鐘頻率偏差引入的誤差影響。

2.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

本研究采用iPerf作為網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具，用以測(cè)試用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）通信質(zhì)量，包括時(shí)延和丟包率。配置的工作機(jī)制見(jiàn)圖1，將其中一臺(tái)主機(jī)設(shè)置為客戶(hù)端，另一臺(tái)設(shè)置為服務(wù)器。iPerf打開(kāi)服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，再打開(kāi)客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，解析環(huán)境變量或命令行參數(shù)，根據(jù)參數(shù)判斷iPerf是服務(wù)器還是客戶(hù)端，并進(jìn)入相應(yīng)的處理流程。iPerf測(cè)試UDP性能時(shí)，客戶(hù)端可以指定UDP數(shù)據(jù)流的速率?？蛻?hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將根據(jù)客戶(hù)端提供的速率計(jì)算數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送的時(shí)延?？蛻?hù)端還可以指定發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的大小。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)包含1個(gè)ID號(hào)，作為報(bào)文的唯一標(biāo)識(shí)，服務(wù)器端根據(jù)該ID號(hào)確定數(shù)據(jù)報(bào)是否存在丟失和亂序。當(dāng)UDP報(bào)文大小設(shè)置為可以將整個(gè)報(bào)文放入IP層的包（packet）內(nèi)時(shí)，UDP所測(cè)得的報(bào)文丟失數(shù)據(jù)即為IP層包的丟失數(shù)據(jù)，這提供了測(cè)試包丟失情況的一個(gè)有效方法。數(shù)據(jù)報(bào)傳輸時(shí)延的測(cè)試由服務(wù)器端完成，客戶(hù)發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)包含發(fā)送時(shí)間戳，服務(wù)器根據(jù)該時(shí)間信息和接收到報(bào)文的時(shí)間戳計(jì)算傳輸時(shí)延。在本研究中，如果一個(gè)數(shù)據(jù)包在某層的內(nèi)部發(fā)生重傳，則重傳的延時(shí)計(jì)入本層傳輸時(shí)延，測(cè)試程序本身無(wú)須關(guān)心發(fā)生于底層的重傳。

3 測(cè)試方法

3.1 測(cè)試場(chǎng)地

為了模擬真實(shí)道路條件下的V2X安全應(yīng)用功能所面對(duì)的場(chǎng)景，同時(shí)保障道路試驗(yàn)的安全性，本研究在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)評(píng)基地的封閉試車(chē)場(chǎng)中進(jìn)行。如圖2所示，該基地涵蓋了模擬的高速路、城市道路、鄉(xiāng)村道路和開(kāi)闊地等道路條件，交通環(huán)境涵蓋建筑物、樹(shù)木、城市綠化帶、道路護(hù)欄等多種道路環(huán)境設(shè)施。在封閉的專(zhuān)用測(cè)試場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試既可以模擬真實(shí)道路環(huán)境中的各種關(guān)鍵場(chǎng)景，又可以最大限度地排除其它干擾因素，保障測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性和可對(duì)比性。

圖2 上汽-同濟(jì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)評(píng)基地

3.2 測(cè)試方案

本研究測(cè)試了車(chē)-車(chē)通信，即車(chē)載單元（On Board Unit，OBU）之間的通信，以及車(chē)-路通信，即OBU與路邊單元（Road Side Unit，RSU）之間的通信性能。OBU分別搭載在2輛測(cè)試車(chē)輛上，RSU安裝在路側(cè)燈桿上，相對(duì)地面高度為5 m。為了分析V2X不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能，選取了車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、車(chē)輛距離和障礙物類(lèi)型3個(gè)方面的因素，研究這些場(chǎng)景因素對(duì)DSRC通信性能的影響。為了便于參數(shù)化分析，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用“動(dòng)態(tài)系數(shù)”表征，如表1所示，動(dòng)態(tài)系數(shù)從0到1變化，0表示2個(gè)被測(cè)對(duì)象處于靜止?fàn)顟B(tài)，1表示2個(gè)被測(cè)對(duì)象具有較高的相對(duì)速度，并受到障礙物的阻礙。表中低速、中速、高速分別定義為相對(duì)速度20 km/h、40 km/h和60 km/h，障礙物為建筑。對(duì)于表1中的6個(gè)不同動(dòng)態(tài)系數(shù)，各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個(gè)不同距離下進(jìn)行了測(cè)試。在研究障礙物類(lèi)型的影響時(shí)，選取了建筑、綠化帶、金屬護(hù)欄。對(duì)于每種障礙物類(lèi)型，也各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個(gè)距離條件下進(jìn)行了測(cè)試。

表1 動(dòng)態(tài)系數(shù)定義

在測(cè)試中，發(fā)包率設(shè)置為每分鐘500個(gè)包，發(fā)送固定字節(jié)數(shù)據(jù)包100個(gè)，每個(gè)工況均經(jīng)過(guò)5次重復(fù)測(cè)試，選取測(cè)試結(jié)果的平均值作為丟包率最終結(jié)果。多次連續(xù)發(fā)送固定字節(jié)，測(cè)出時(shí)延，取其平均值作為時(shí)延的結(jié)果。傳輸時(shí)延的計(jì)算只考慮了成功接受的數(shù)據(jù)包，因此丟失的數(shù)據(jù)包不計(jì)入傳輸時(shí)延的計(jì)算。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 V2V通信距離與動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)通信性能的影響

V2V通信場(chǎng)景下，距離和車(chē)輛動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)時(shí)延和丟包率的影響如圖3所示。

圖3 V2V場(chǎng)景下車(chē)輛距離與動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)通信性能的影響

兩車(chē)動(dòng)態(tài)系數(shù)較小時(shí)，在400 m的范圍內(nèi)，距離的增加幾乎不會(huì)導(dǎo)致時(shí)延的顯著增長(zhǎng)，時(shí)延均穩(wěn)定在5.1～5.6 ms。測(cè)量到的最大時(shí)延為7.2 ms，出現(xiàn)在動(dòng)態(tài)系數(shù)和距離都很大的情況下。這表明，對(duì)于V2V通信，距離過(guò)遠(yuǎn)并且受到障礙物阻隔是造成時(shí)延顯著增加的主要原因。

相對(duì)于時(shí)延，丟包率對(duì)車(chē)輛距離更加敏感，即使在動(dòng)態(tài)系數(shù)為0的情況下，丟包率隨距離的變化也非常顯著。另一方面，丟包率隨動(dòng)態(tài)系數(shù)的增長(zhǎng)也較為明顯，尤其是在當(dāng)動(dòng)態(tài)系數(shù)達(dá)到1時(shí)（有障礙物），丟包率突然顯著增大，從圖中可以看出，當(dāng)距離為100 m時(shí)，動(dòng)態(tài)系數(shù)從0變化到0.8的狀態(tài)下，丟包率幾乎沒(méi)有變化，均在0.5%左右波動(dòng)，而當(dāng)動(dòng)態(tài)系數(shù)達(dá)到1時(shí)，丟包率顯著增長(zhǎng)到4.8%，這表明，相對(duì)于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，丟包率受障礙物阻礙的影響更明顯。

4.2 V2I通信距離與動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)通信性能的影響

V2I通信場(chǎng)景下距離和車(chē)輛動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)時(shí)延和丟包率的影響如圖4所示。

圖4 V2I場(chǎng)景下車(chē)輛距離與動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)通信性能的影響

OBU與RSU之間通信的效果與V2V通信的規(guī)律相似，但測(cè)到的時(shí)延總體上更大，達(dá)到了5～6.5 ms。在動(dòng)態(tài)系數(shù)小的情況下，時(shí)延受到通信距離的影響也比較明顯。同樣，隨著障礙物的出現(xiàn)，時(shí)延也較高。

相對(duì)于對(duì)時(shí)延的影響，距離因素對(duì)V2I通信丟包率的影響更為顯著。通過(guò)對(duì)比不同的動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)丟包率的影響，可以看到，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)丟包率的影響相對(duì)較小，在同樣的距離下，不同動(dòng)態(tài)系數(shù)對(duì)應(yīng)的丟包率相近。在有障礙物阻礙的情況下，距離較近時(shí)，丟包率受障礙物的影響較小，而在距離較大時(shí)，障礙物的存在會(huì)導(dǎo)致丟包率的顯著提高。

4.3 V2V應(yīng)用場(chǎng)景中不同類(lèi)型障礙物對(duì)通信性能的影響

如圖5所示，對(duì)比了3種不同障礙物對(duì)V2V通信時(shí)延和丟包率的影響，分別是建筑、綠化帶和金屬護(hù)欄。

圖5 3種不同障礙物對(duì)V2V通信性能的影響

從圖5a可以看出，在通信距離較近的情況下，3種障礙物對(duì)時(shí)延的影響差異較小。隨著通信距離的增大，3種障礙物造成的時(shí)延差異也更加明顯。受建筑物阻擋，時(shí)延隨著距離的增加而顯著增大，綠化帶造成的時(shí)延增加略高于金屬護(hù)欄。

如圖5b所示，3種障礙物對(duì)V2V通信的丟包率影響有顯著的差異。首先，建筑物造成的丟包率在100～400 m的通信范圍內(nèi)，總體上高于綠化帶和金屬護(hù)欄造成的丟包率。另一方面，隨著距離的增長(zhǎng)，建筑物導(dǎo)致的丟包率增長(zhǎng)最為明顯，綠化帶次之，金屬護(hù)欄阻礙條件下，丟包率隨距離的增長(zhǎng)率相對(duì)較小，在400 m時(shí)，丟包率約為4%。

4.4 障礙物及距離對(duì)通信性能影響的機(jī)理分析

基于路徑損耗理論，無(wú)線電傳輸過(guò)程中隨著傳輸距離的增加而逐漸衰減[23]；另一方面，無(wú)線通道產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)闡釋了當(dāng)障礙物出現(xiàn)在信號(hào)傳輸路徑上時(shí)，將發(fā)生顯著的衰減[23]?，F(xiàn)有研究中，從機(jī)理出發(fā)分析障礙物和距離對(duì)通信性能影響的研究方法主要有3類(lèi)建模仿真方法：Ray-tracing方法[24-27]，是自下而上的建模方法，理論上最真實(shí)地模擬了信號(hào)傳輸和衰減過(guò)程，但其對(duì)計(jì)算需求量很大；Stochastic方法[28-30]，是一種基于概率的宏觀建模方法；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒╗31-34]，其優(yōu)勢(shì)是計(jì)算量小，常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)。

根據(jù)路徑損耗理論，無(wú)線電傳輸中的接收信號(hào)強(qiáng)度可由冪律模型表達(dá)：

式中，R為信號(hào)強(qiáng)度；d為通信距離；ε為表征維度的參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[35]，在V2V場(chǎng)景下，可取ε=2.2；λ為波長(zhǎng)。

波長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

式中，c為光速；f為無(wú)線電波頻率。

為了在模型中表達(dá)障礙物對(duì)信號(hào)衰減的影響，對(duì)上述冪律模型取對(duì)數(shù)推導(dǎo)，并加入遮蔽效應(yīng)項(xiàng)：

式中，P為信號(hào)傳輸功率；P0為參考距離下的功率；Xσ表示基于遮蔽效應(yīng)，信號(hào)衰減項(xiàng)符合以σ為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布。

根據(jù)文獻(xiàn)[35]的研究，可以將式（5）參數(shù)化表達(dá)為障礙物內(nèi)部特性、厚度及數(shù)量的影響：

式中，κ為障礙物每層墻體造成的信號(hào)衰減量，nob為障礙物墻體層數(shù)，κ·nob表征了障礙物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；η為障礙物的單位厚度造成的信號(hào)衰減量，表征了障礙物材料特性的影響。

基于上述理論模型，計(jì)算出的不同頻率無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化如圖6所示。隨著距離的增大，接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）減小，在400 m范圍內(nèi)，信號(hào)衰減顯著。對(duì)于DSRC，因基于5.9 GHz頻段，頻率較高，信號(hào)衰減相對(duì)更大。而接收信號(hào)衰減度則與DSRC的丟包率正相關(guān)，該理論解釋了測(cè)試結(jié)果所顯示的丟包率隨著距離的增大而顯著升高的機(jī)理。

圖6 基于路徑損耗理論計(jì)算的不同頻率無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨距離的變化

如圖7所示，是障礙物特性系數(shù)及距離對(duì)5.9 GHz無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度衰減的影響。隨著特性系數(shù)κ和η的增大，在相同的距離下，接收信號(hào)強(qiáng)度顯著降低，表明障礙物的材料類(lèi)型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及厚度對(duì)信號(hào)衰減有顯著影響。針對(duì)本文的V2X場(chǎng)景分析，建筑物總體厚度較大，并且內(nèi)部通常存在多層墻壁，因此模型中的特性參數(shù)η和κ·nob都較大，根據(jù)圖7所示，其信號(hào)衰減最強(qiáng)，因此解釋了圖5b中所示的建筑物造成的丟包率最高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于試驗(yàn)測(cè)試了不同V2X應(yīng)用場(chǎng)景下DSRC的時(shí)延和丟包率。并且基于路徑損耗理論和遮蔽效應(yīng)理論建立了數(shù)學(xué)模型，針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)景所涉及的通信距離、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、障礙物類(lèi)型3個(gè)方面的因素計(jì)算并闡釋了試驗(yàn)結(jié)果的內(nèi)在機(jī)理。

本研究所發(fā)現(xiàn)的DSRC通信性能在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的衰減，揭示了基于DSRC的V2X功能的局限性。特別是在城市道路工況中應(yīng)用時(shí)，大量的建筑物等復(fù)雜遮蔽環(huán)境，將導(dǎo)致V2X功能的可靠性下降。因此，對(duì)未來(lái)的V2X功能應(yīng)用，應(yīng)該考慮在通信性能上予以加強(qiáng)，例如采用基于5G標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩通信技術(shù)。

致謝

本研究的試驗(yàn)工作獲得了同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院王平教授及其研究團(tuán)隊(duì)的支持，本文的理論分析得到了密歇根大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院黃夏南博士的指導(dǎo)，特此表示感謝。